可在ScienceDirect上获得目录列表计算设计与工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/jcde计算设计与工程学报5（2018）137热处理残余应力对恒应力梁Si YoungKwak，Ho Young Hwange-Design Group，韩国工业技术研究院（KITECH），韩国仁川韩国科技大学机器人与虚拟工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年3月27日收到2017年6月5日收到修订版，2017年2017年7月21日在线发布保留字：应力分析热处理残余应力初始应力电子散斑干涉法A B S T R A C T虽然大多数铸造和热处理工艺在产品中产生显著高的残余应力，但在产品的设计阶段通常不考虑该因素。在这项研究中，实验研究和数值分析进行了恒定应力梁，以检查在热处理过程中产生的残余应力对产品在使用中的屈服行为的影响。设计了一个SUS 304的恒应力梁，以测试与残余应力有关的应力行为通过电子散斑干涉仪（ElectronicSpeckle-Pattern Interferometry，ESPI）测量了梁在淬火热处理过程中产生的残余应力，并测量了在梁上施加简单外载荷时产生的外同时，利用为分析热处理工艺而设计的数值分析程序计算了热处理过程中产生的残余应力分布。然后，将施加于梁的简单外部载荷的应力分布与先前热处理步骤的残余应力计算结果相结合。最后将计算结果与实验结果进行了比较。模拟结果与实验结果吻合较好。实验结果与计算结果的一致性表明，残余应力对机械零件的应力行为有着重要的影响。因此，在机械产品设计阶段，必须考虑到铸造前热处理步骤中产生的残余应力©2017计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）下访问文章1. 介绍通常，机械零件经过许多铸造工艺，例如铸造、锻造、热处理、挤压、模具注射、焊接和机加工，在机械零件中留下一定量的残余应力。由经验不足的设计工程师设计的机械部件偶尔会出现损坏或缺陷，即使部件通过了结构安全评估，因为这些评估是在不考虑先前制造过程中产生的残余应力的情况下进行的。当然，有经验的设计工程师通常在形状设计阶段对安全系数给予过大的裕量，以防止由于这种缺陷而导致的意外断裂。然而，这种过度安全系数的使用可能导致材料的浪费。目前，在设计阶段使用过大的安全系数是有限的，因为大多数机械产品都面临着减轻重量的需求。鉴于这些考虑，研究评估由计算设计与工程学会负责进行同行评审。*通讯作者：e-Design Group，韩国工业技术研究院nology（KITECH），仁川，韩国。制造过程在产品设计阶段的作用已越来越被人们所认识。如图1所示，在制造过程中可能产生的缺陷和残余应力应在产品设计阶段加以考虑。近年来，与机械部件运行期间的性能预测相关的研究一直在积极进行（Hardin Beckermann，2007; Kwak，2008）。此外，还进行了关于残余应力对疲劳或断裂的影响的研究（Fratini，Pasta，Reynolds，2009; Li，2006）。特别是，该研究（Tan，Zhang，Zhuang，Liu，2014）对焊接过程后的残余应力进行了实验和模拟，并考虑了后热处理。为了分析热处理过程中产生的残余应力对加载条件下应力应变的影响，在恒应力试样上进行了实验研究和数值分析。将SUS304的恒定应力试样在冷却水中淬火，从而产生残余应力，此后，在试样上施加外部载荷，并且使用ESPI（电子散斑干涉）设备测量此外，通过对热处理工艺的分析，计算https://doi.org/10.1016/j.jcde.2017.07.0012288-4300/©2017计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。138S.Y. 郭贤贤Hwang/ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）137BR允许¼Fig. 1.制造过程中的初始缺陷。图二.一般应力梁和常应力梁的应力等值线图。程序.在将热处理残余应力映射到结构分析程序ANSYS上后，对实验中施加的外载荷进行了并与实验结果进行了对比，从而研究了热处理过程中产生的残余应力对产品性能的影响2. 实验2.1. 标本制备本文设计了一端受外载荷作用的等应力梁（或等应力梁） 图图2给出了两种梁（均为悬臂边界条件）的应力分布，一般矩形和常应力变量。常应力梁表示从一端到另一端的等应力范围，但在一般矩形梁中很难对等应力等值线进行恒应力梁由多个测点固定。由于在梁的长度方向上分布有恒定的应力，因此，采用这种梁可以提高实验的精度恒应力梁矩形截面的理论最佳形状表示为方程：（1）-其中P、L、b、E分别为试件的载荷、长度、深度、弹性常数。rallow是在t（x）处穿过梁的所有截面的最大弯曲应力通过实验和数值分析比较了残余应力和外加载荷作用下试样的应力行为。本研究中使用的试样的材料是SUS304（Ni 8%，Cr 18%）。将样品在氩气气氛下在950 °C下保持2小时以防止氧化，然后水冷至室温。试样的尺寸为360 mm长和10 mm深，如图所示。 四、2.2. ESPI原理ESPI（电子散斑干涉）是一种非接触式测量装置，用于测量整个区域的位移量，以进行应变分析。电子散斑干涉采用相干激光照射的标本和监测的变化强度图案与CDD相机。它提供了当激光束从不同方向照射在试件上的梁的高度txs6PL-x梁的最大挠度6PLð1Þdmax¼Ebt22梁的弯曲应力r6Pxbt2ð3Þ图三. 恒应力梁的设计（Yüksek，2000）。S.Y. 郭贤贤Hwang/ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）137139ðÞ. Du¼arctan. -arctan×见图4。 恒定应力梁的尺寸。对位移场进行数值微分以获得应变图。变形的测量通过激光束的波长k来缩放（Lobanov，Pivtorak，&Kuvshinsky，2000）。物体的变形产生反射物体光束的光程长度的变化光程长度的变化又导致相对光相位Du的变化这两种力量，都在改变着自己的命运莱斯然后用CCD相机测量后者CCD摄像机的像素处的强度（4）（良好做法指南）。Ii;jIobi;jIrefi;j2qIobi;jirefi; j·cosWi;j-Dui;jð4Þ这里，I_i;j_i是像素处的强度，I_ob_i;j_i和I_ref_i;j_i是物体光束和参考光束的强度，W_i;j是参考光束和物体光束之间的相互随机相位，D_u是由于变形的变化而引起的光学相位的变化。光学相位的变化由方程确定（5）使用施加载荷之前的4 幅图像和施加载荷之后的4幅图像（Lobanov等人， 2000年）。（7）利用获得的干涉图样和材料特性计算应力。2.4. 残余应力对于在试样上施加外力并产生残余应力的实验部分，设计了如图6所示的测量装置。测量装置由一个载荷施加螺钉、一个测力传感器、一个测力传感器指示器、一个千分表和一个在钢底座上具有恒定应力的SUS 304梁螺钉向试样施加载荷钢底座用于固定一端I4-I2I1-I3.负荷后I4-I2I1-I3.负荷前ð5Þ2.3. 电子散斑干涉测量程序E.O. 乌克兰Paton电焊研究所见图。 五、在这项研究中，使用的He-Ne激光束的功率为17 mW，波长为632.8 nm，随着CCD相机的分辨率为768 572测量散斑的强度。测量程序如下（良好实践指南; Lobanov等人， 2000年）。(1) 在应测定残余应力的物体上标出点(2) 将选定直径（1 mm）的钻头放入钻孔装置中，并设置所钻盲孔的所需深度。（在本实验中，钻孔深度为1.2mm）。(3) 安装一个可移动的散斑干涉仪在单位的基础上，安排球在适当的凹槽。(4) 应将被检区域表面的初始散斑图像记录到计算机中。(5) 从装置底座上取下可拆卸的散斑干涉仪;然后，钻一个预设深度的盲孔。(6) 再次将可拆卸模块安装在装置底座上。将散斑图案记录到计算机存储器中，并获得关于相位变化的信息。图五、ESPI设备用于残余应力测量。140S.Y. 郭贤贤Hwang/ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）137H见图6。 恒应力梁测量装置。螺钉在试样上施加载荷后，试样的应力测力传感器和千分表分别用于测量载荷的大小和由于施加载荷而导致的试样变形量距固定点100 mm。由于弯曲应力的性质是由施加在试样上的载荷引起的，拉伸应力出现在X轴的顶部区域，压缩应力出现在X轴的底部区域。在有残余应力的试样中，符号在改变试样顶部和底部的位置时测量应力。图8（a）是恒应力试样热处理后的条纹图图8（b）是用于残余应力测量的钻孔后的ESPI图像，图8（c）是施加外部载荷时钻孔后的ESPI图像2.5. 实验结果将SUS304的恒定应力试样在950 °C下加热并保持2小时后在冷却水中进行热处理以产生残余应力，然后使用ESPI测量残余应力在样品上施加300 kgf（2.8 mm）的载荷后，再次使用ESPI测量外部弯曲应力高度比和无因次高度由方程定义（六）、不如图7所示，测量了7个点处的残余应力; 7个点以15 mm的间隔标记，高度比<$t0ð6Þ见图7。 恒定应力梁上的测量点。见图8。 样品的电子散斑图S.Y. 郭贤贤Hwang/ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）137141表1测量孔的高度比和测量的应力。符号加载前加载时A2-0.34-199 0.29 99A3-0.43-271 0.48 205粤ICP备16036888号-1B1 0.62-321-0.62 330B2 0.48-307-0.53 325B30.82-358-0.86378见图9。 试验结果在上述方程中，t0是样本宽度的一半，th是从中心线的X轴到测量孔位置的距离。表1示出了测量孔的高度比和测量的应力。通过测量钻孔过程后孔的精确位置来计算高度比。虽然A1的实测应力高于预期，A2的实测应力低于预期，但实测应力显示出与高度比的绝对值成恒定应力梁热处理后的残余应力值和施加外载荷后的变化残余应力如图9所示。在A1、A2和A3点，除A4点外，由于拉伸弯曲载荷，压缩应力急剧下降。在B1、B2和B3点上显示了压缩弯曲载荷的微小差异。由于A4、B1、B2和B3点的应力已经接近屈服应力330 MPa，并且在施加外力之前这些点几乎处于塑性变形状态，因此当施加外力时，应力不会因塑性变形而显著改变值。3. 数值分析我们进行了数值分析，以衡量残余应力的影响，对外部载荷下的恒定应力试样。进行热处理工艺分析以获得残余应力分布（Kwak，2002）。此外，本发明还见图10。 等应力梁上的应力等值线图。高比实测应力[MPa]高度实测应力比值[MPa]A1-0.38-2860.38-186142S.Y. 郭贤贤Hwang/ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）137见图11。 梁截面AA0中的应力梯度（B/W中从表面开始的第一和第二轮廓区域）。见图12。 应力分布。用ANSYS对试样进行结构分析，考虑外部载荷，如图7所示。我们考虑了弹性行为和四面体元素减少积分。图10分别显示了试样上热处理后的残余应力分布、外部弯曲力引起的应力分布以及如图11所示，恒应力梁截面AA0处热处理产生的残余应力值显示，表面出现压应力（蓝色1和绿色轮廓），内部出现拉应力（红色和橙色轮廓）。试样宽度的中心部分呈现出一个快速的应力梯度，该梯度向试样的侧部形成一个平缓的斜坡。通过对这样的热处理产品进行钻孔法实验，获得从表面到钻孔深度（1.2mm）的1关于图11中颜色的解释，读者可以参考本文的网络版本。因此，提取在试样的X方向上100 mm位置处的横截面中从表面到1.2mm深度的区域的应力分析结果，并与实验数据进行比较。图12（a）中显示了7个位置的应力测量值和高度比分析结果可以看出，测得的残余应力值介于表面和1.2 mm深度处的热处理分析结果之间。如前所述，钻孔法测量的是从表面到钻孔深度（1.2 mm）的平均值将外部载荷施加到具有残余应力的试样后的应力分析结果与图12（b）中的实验值进行比较。可以确认，在热处理残余应力诱发的试样上施加实际载荷的实验中测得的应力值与考虑拉伸外应力区（A点）残余应力的结构分析结果相似。在压缩应力区，施加外载荷后（B点），真正的SUS 304试样显示出塑性硬化状态，而结构分析没有表明这种可能性。因此，B点的符号三角形不在结构分析结果的线的范围内。4. 结论在本研究中，使用恒定应力试样，以研究热处理过程中产生的残余应力对实际操作过程中产品应力行为的影响。淬火热处理产生了残余应力。然后，对试样施加外载荷，然后使用ESPI设备测量应力值。结果表明，恒应力试样呈现出一种新的应力分布模式，即热处理残余应力与外载应力的累积效应。此外，使用热处理工艺分析程序计算了热处理过程中产生的残余应力。然后将结果映射到商业结构分析程序并进行结构分析。本研究表明，残余应力对产品的性能有很大的影响。因此，在设计阶段应考虑制造过程中产生的确认这项工作得到了贸易、工业和能源部（MOTIE，韩国）的支持[项目名称：深海油田500 MPa URFSIL 3管汇和水下系统工程S.Y. 郭贤贤Hwang/ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）137143引用弗拉蒂尼湖，Pasta，S.，&雷诺兹，A. 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